單片機(jī)的多機(jī)無線短信通信系統(tǒng)設(shè)計(jì) - 全文

現(xiàn)代通信技術(shù)的迅速發(fā)展使得許多應(yīng)用領(lǐng)域都采用無線的通信方式進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸。編解碼芯片PT2262、PT2272組成的電路，由于具有體積小、功耗低、功能強(qiáng)、成本低等特點(diǎn)，廣泛應(yīng)用于各類的無線遙控器、無線報(bào)警器以及玩具等其他小型電器裝置。但是，這種電路極少用在多個(gè)字節(jié)數(shù)據(jù)的通信方面，具有一定的局限性。本文主要介紹利用433 MHz高頻發(fā)射模塊和接收模塊來制作多機(jī)無線ASCII碼格式的短信通信。該通信方式是在433MHz高頻發(fā)射模塊和接收模塊的基礎(chǔ)上自己定義無線傳輸協(xié)議，實(shí)現(xiàn)任意兩機(jī)之間的多個(gè)字節(jié)數(shù)據(jù)通信。

1 硬件系統(tǒng)設(shè)計(jì)
??? 本系統(tǒng)主要由PICl6F877A單片機(jī)構(gòu)成控制系統(tǒng)，周圍4個(gè)模塊分別是：按鍵輸入模塊、顯示輸出模塊、接收模塊和發(fā)射模塊。系統(tǒng)整體結(jié)構(gòu)框圖如圖1所示。

1．1 主機(jī)電路的設(shè)計(jì)
??? 由于系統(tǒng)涉及的程序量比較大，所以要求Flash程序存儲器的存儲量不能太??；對發(fā)射和接收的短信進(jìn)行存儲，要用到EEPROM數(shù)據(jù)存儲器模塊，EEPROM數(shù)據(jù)存儲器存儲的內(nèi)容掉電時(shí)不會丟失；接收解碼需要脈寬的捕捉和比較功能，要用到捕捉／比較／脈寬調(diào)制CCP模塊；發(fā)射、接收以及時(shí)鐘均要用到獨(dú)立的定時(shí)器，所要求的定時(shí)器的個(gè)數(shù)不少于3個(gè)。基于設(shè)計(jì)需要，采用Microchip公司的PICl6F877A芯片作為系統(tǒng)的主控制器。該電路主要由主控芯片、晶體振蕩電路和在線仿真接口組成，如圖2所示。設(shè)計(jì)中使用MCLR、RB6、RB7三個(gè)接口作為在線仿真接口。

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1．2 發(fā)射和接收電路的設(shè)計(jì)
??? 采用433 MHz高頻發(fā)射和接收模塊。433 MHz的高頻發(fā)射電路在控制腳為高電平時(shí)起振并發(fā)射等幅高頻信號，當(dāng)控制腳為低電平時(shí)停止振蕩。因此，可以用控制腳對高頻電路完成幅度鍵控(ASK調(diào)制)，相當(dāng)于調(diào)制度為100％的調(diào)幅。當(dāng)接收模塊接收到433 MHz的等幅高頻信號時(shí)，信號腳就輸出高電平，否則輸出低電平。所以接收信號腳的高低電平變化會與發(fā)射控制腳的高低電平變化相對應(yīng)。多個(gè)接收模塊可以同時(shí)接收到同一個(gè)發(fā)射模塊發(fā)射的信號，可以實(shí)現(xiàn)一機(jī)發(fā)送，多機(jī)同時(shí)接收。圖3所示電路是高頻433 MHz載波的發(fā)射和接收模塊。433 MHz的高頻發(fā)射電路在控制腳B5為高平時(shí)，三級管T1導(dǎo)通，T2射級接地起振并發(fā)射等幅高頻433 MHz的信號；當(dāng)控制腳B5為低電平時(shí)，就停止振蕩。因此，可以用控制腳B5對高頻電路完成幅度鍵控(ASK調(diào)制)，相當(dāng)于調(diào)制度為100％的調(diào)幅。當(dāng)接收模塊接收到433 MHz的等幅高頻信號時(shí)，信號腳就輸出高電平到C2口，若未收到433 MHz的等幅高頻信號則輸出低電平。所以接收信號腳的高低電平變化會與發(fā)射控制腳的高低電平變化相對應(yīng)。例如給B5引腳輸入圖4所示的波形，那么在接收模塊的C2引腳上也將出現(xiàn)同樣的波形。注意，B5和C2的控制信號分別由主控芯片PICl6F877A的RB5和RC2發(fā)出。

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1．3 液晶外圍控制電路的設(shè)計(jì)
??? 采用諾基亞3310 LCD顯示模塊。該LCD為84×48點(diǎn)陣的液晶屏，一屏可顯示4×7個(gè)(12×12點(diǎn)陣)漢字，或6×14個(gè)(6×8點(diǎn)陣)英文、數(shù)字、標(biāo)點(diǎn)符號等字符。該液晶顯示器輕薄短小、低功耗電量，常用于手機(jī)顯示。液晶外圍電路如圖5所示。

??? 本設(shè)計(jì)中，諾基亞33lO LCD用3 V的電壓供電。其中，1引腳是電源腳，6引腳接地線，2引腳為SCLK，3引腳為SDIN。4引腳為數(shù)據(jù)／地址選擇端，分別給4引腳高低電平，可以控制單片機(jī)對諾基亞3310 LCD寫數(shù)據(jù)或者寫命令。5引腳為使能端，低電平有效。8引腳為復(fù)位端，低電平有效。11引腳接背光燈電源的正級，12引腳接背光燈電源的控制級。9、10引腳為諾基亞3310 LCD自帶的喇叭，此喇叭用單片機(jī)來控制的聲音效果并不理想，所以改用直流自帶振蕩蜂鳴器。為了避免蜂鳴器和背燈光工作時(shí)對液晶電源造成影響，蜂鳴器和背燈光由5 V的電源來供電，與液晶電源分開。

2 軟件系統(tǒng)設(shè)計(jì)???
??? 本系統(tǒng)在主程序中運(yùn)用模塊化結(jié)構(gòu)，使得各個(gè)模塊之間關(guān)系清晰明了。復(fù)位分為兩個(gè)部分，以區(qū)分上電復(fù)位與非上電復(fù)位，上電復(fù)位執(zhí)行上電復(fù)位初始化程序；運(yùn)用散轉(zhuǎn)結(jié)構(gòu)，再根據(jù)重要數(shù)據(jù)3比2表決，實(shí)現(xiàn)無擾動重入；所有控制量(開關(guān)量)和接收數(shù)據(jù)集中處理，提高了處理效率；特殊功能寄存器冗余重置，使整個(gè)系統(tǒng)更穩(wěn)定地工作。主程序總流程如圖6所示。

3 通信模塊功能及算法
??? 本無線通信協(xié)議模仿OSI分層模型分為以下3層，各層之間相互獨(dú)立，靈活性好，適應(yīng)性強(qiáng)。
??? (1)物理層
??? 物理層處于最低層，其任務(wù)是傳送和接收比特流。物理層關(guān)心的問題是：如何表示“1”和“O”；如何排除干擾；傳輸是否在兩個(gè)方向上同時(shí)進(jìn)行等。本設(shè)計(jì)中使用433 MHz高頻發(fā)射模塊和接收模塊作為無線通信橋梁，固定的頻率限制了數(shù)據(jù)傳輸在同一時(shí)刻只能在一個(gè)方向上進(jìn)行，所以兩個(gè)方向上的數(shù)據(jù)傳輸要在交替發(fā)生的情況下才能完成。
??? (2)數(shù)據(jù)鏈路層
??? 數(shù)據(jù)鏈路層使用由物理層提供的服務(wù)，并通過添加錯(cuò)誤處理機(jī)制將簡單的數(shù)據(jù)鏈路改造成可靠的數(shù)據(jù)鏈路，再提供給應(yīng)用層。數(shù)據(jù)鏈路層以碼字為單位傳輸數(shù)據(jù)，每一碼字包括數(shù)據(jù)和必要的校驗(yàn)信息。在此自定義為無線傳輸協(xié)議(Wireless Transmission Protocol，WTP)。
??? (3)應(yīng)用層
??? 應(yīng)用層處于最高層，它為應(yīng)用進(jìn)程提供了接入點(diǎn)，直接為用戶的應(yīng)用進(jìn)程提供服務(wù)。在此自定義為短信通信協(xié)議(Message Communication Protocol，MCP)。
3．1 定時(shí)器T2中斷模塊
??? 中斷處理采用片內(nèi)CCPI中斷捕捉方式，對外部接口引腳CCP上輸入的脈沖信號上升沿或下降沿進(jìn)行實(shí)時(shí)捕捉檢測。借助于這個(gè)強(qiáng)大的邊沿捕捉功能，很容易對信號的高電平時(shí)間進(jìn)行檢測，從而實(shí)現(xiàn)對WTP解讀功能。中斷服務(wù)程序流程如圖7所示。

??? 在解讀WTP過程中只要判斷出同步碼，就對這一碼字進(jìn)行初始化，把脈沖個(gè)數(shù)計(jì)數(shù)器清O；然后每捕捉到一個(gè)高電平，脈沖個(gè)數(shù)計(jì)數(shù)器就加1并保存記錄該脈沖。捕捉到一個(gè)高電平后，若高電平時(shí)間寬度為409．6～819．2μs，就認(rèn)為是窄脈沖；高電平時(shí)間寬度為819．2～1 228．8μs，就認(rèn)為是寬脈沖；若高電平時(shí)間寬度小于409．6μs或大于1 228．8μs，則認(rèn)為該脈沖為干擾信號，當(dāng)?shù)碗娖綍r(shí)間寬度大于819．2μs時(shí)也認(rèn)為是干擾信號。收到干擾信號后將脈沖個(gè)數(shù)計(jì)數(shù)器清0，并把正在接收的碼字丟棄處理。當(dāng)接收到25個(gè)脈沖后對前面16個(gè)脈沖進(jìn)行處理，若每個(gè)位碼不是由一個(gè)窄脈沖和一個(gè)寬脈沖組成的，就認(rèn)為接收正常。接收正常后，通過一個(gè)接收到數(shù)據(jù)的標(biāo)志位反饋到MCP(短信通信協(xié)議)上處理，通信協(xié)議會根據(jù)該標(biāo)志位到接收緩存中取剛剛接收到的數(shù)值。
??? 一個(gè)字節(jié)的數(shù)據(jù)波形如圖8所示。根據(jù)無線傳輸協(xié)議定義，發(fā)送的一個(gè)完整的碼字由數(shù)據(jù)碼、校驗(yàn)碼、同步碼組成(圖中用虛線隔開這3個(gè)部分)。數(shù)據(jù)碼和校驗(yàn)碼都用寬度不同的脈沖來表示，2個(gè)窄脈沖表示“0”，2個(gè)寬脈沖表示“1”。每組字碼之間有同步碼隔開，同步碼用一個(gè)窄脈沖和一個(gè)比較寬的低電平表示。一個(gè)字碼由8位數(shù)據(jù)碼、4位校驗(yàn)碼和1個(gè)窄脈沖組成。若每個(gè)位碼用2個(gè)脈沖來代表，則一個(gè)碼字就是由25個(gè)脈沖組成。無線傳輸協(xié)議定義窄脈沖時(shí)間寬度為739．2μs，寬脈沖時(shí)間寬度為1 156．8μs，而脈沖之間的低電平時(shí)間統(tǒng)一為331．2μs，同步碼的低電平時(shí)間寬度為5 ms。
??? 圖8表示發(fā)送～個(gè)十六進(jìn)制數(shù)“57H”，ASCII碼的“57H”表示字符“W”。圖中前16個(gè)脈沖表示“57H”的數(shù)據(jù)碼，二進(jìn)制表示為“B01010111”；中間8個(gè)脈沖表示校驗(yàn)碼，在該協(xié)議中校驗(yàn)碼固定定義為半個(gè)字節(jié)的“AH”，二進(jìn)制表示為“B1010”；同步碼則為一個(gè)時(shí)間寬度為739．2μS的窄脈沖和一個(gè)時(shí)間寬度為5 ms的低電平。

??? 該協(xié)議中從以下幾個(gè)方面來提高抗干擾能力：
??? ①每個(gè)碼字由25個(gè)脈沖組成；
??? ②每個(gè)位碼用2個(gè)脈沖來表示；
??? ③校驗(yàn)碼用“B1010”(“O”、“1”間隔)來排除干擾；
??? ④若數(shù)據(jù)碼大于7FH，則作為無效數(shù)據(jù)處理。
3．2 發(fā)送短信模塊
??? 這個(gè)模塊實(shí)現(xiàn)MCP功能，編輯短信采用ASCII碼格式，短信內(nèi)容取值范圍為ASCII碼的20H～7AH，ASCII碼內(nèi)容可以參照ASCII碼表。7CH～7FH作為特殊功能碼來處理。短信內(nèi)容格式要求為3個(gè)字符的“名字+內(nèi)容”。例如：要給名為LZX的通信器發(fā)短信，可寫成“LZX：……”。應(yīng)用層的短信通信協(xié)議要求發(fā)送機(jī)發(fā)送短信順序是：
??? ①發(fā)送短信開始碼(即7FH)；
??? ②發(fā)送短信的頭3個(gè)字符(即接收者的名字)；
??? ③等待接收者的短信開始應(yīng)答信號(即7DH)；
??? ④收到應(yīng)答信號后開始發(fā)送短信內(nèi)容；
??? ⑤短信內(nèi)容發(fā)完后發(fā)短信結(jié)束碼(即7EH)；
??? ⑥等待接收者的短信結(jié)束應(yīng)答信號(即7CH)。
??? 由于是無線發(fā)送與接收，有時(shí)會接收不到信號，所以當(dāng)沒有收到短信開始應(yīng)答信號時(shí)就從第一步再開始執(zhí)行。若執(zhí)行8次依舊沒有收到應(yīng)答信號，就得出“無此人發(fā)送失敗”的結(jié)果。若沒有收到短信結(jié)束應(yīng)答信號，就得出“發(fā)送中止失敗”的結(jié)果，否則就顯示“對方已收到”。
??? 因?yàn)闊o線發(fā)射的特點(diǎn)，第一組字碼非常容易受零電平干擾，往往會產(chǎn)生誤碼，所以剛開始發(fā)射的短信開始碼一般要發(fā)2～3次。如圖9所示，發(fā)送了5個(gè)碼字的數(shù)據(jù)：7FH，7FH，57H，44H，58H(分別為開始碼、開始碼、W、D、X，其中“WDX"’為萬能名)。然后，等待接收者的短信開始應(yīng)答信號再發(fā)短信內(nèi)容。

3．3 接收短信模塊
??? 在這個(gè)模塊中實(shí)現(xiàn)對MCP解讀功能。根據(jù)MCP，在解讀中只要判斷出接收到短信開始碼，就將收短信的標(biāo)志位置1，并開始設(shè)置一個(gè)通信超時(shí)值，然后繼續(xù)接收下3個(gè)字符再與本身名字或萬能名比較。應(yīng)用層的短信通信協(xié)議要求接收機(jī)接收短信順序是：
??? ①一旦接收到短信開始碼就進(jìn)入接收短信；
??? ②接收3個(gè)字符后與本身名或萬能名比較，若同名就反饋應(yīng)答信號，否則返回到①；
??? ③繼續(xù)接收短信內(nèi)容；
??? ④接收到結(jié)束碼后反饋應(yīng)答信號，若沒收到結(jié)束碼且通信超時(shí)則返回到①。
??? 在任何狀態(tài)收到短信的結(jié)束碼后，都會在液晶顯示屏的第一行顯示“receive a mess”，并以聲、光形式提示收到短信，由用戶手動查閱新的短信。
3. 4編輯短信模塊
??? 這個(gè)模塊實(shí)現(xiàn)對短信的編輯，類似于手機(jī)編輯短信的模式；有單字刪除鍵、快速刪除鍵、全部清除鍵、標(biāo)點(diǎn)符號鍵、輸入狀態(tài)大小寫字母或數(shù)字的切換鍵，短信尾部可顯示光標(biāo)。因?yàn)槭芤壕聊凰?，?guī)定一條短信內(nèi)容長度為70個(gè)字符，編輯時(shí)限制字?jǐn)?shù)為67個(gè)字符，發(fā)送時(shí)軟件上自動在短信尾部添加本機(jī)名并發(fā)送。液晶屏幕第一行顯示正在編輯狀態(tài)、現(xiàn)在的時(shí)間和大小寫輸入狀態(tài)。在該模塊中，主要是要定位好顯示和編輯指針，然后對各個(gè)按鍵做處理。

結(jié) 語
??? 本文闡述的設(shè)計(jì)方法集編碼和解碼技術(shù)、通信協(xié)議技術(shù)、抗干擾技術(shù)、編輯短信技術(shù)、液晶點(diǎn)陣顯示技術(shù)于一體。實(shí)現(xiàn)任意兩機(jī)之間可以互發(fā)70個(gè)ASCII碼字符的短信，可以像普通手機(jī)一樣編輯短信，機(jī)子可以由用戶命名以區(qū)別其他機(jī)子，實(shí)現(xiàn)一機(jī)對一機(jī)的通信，也可以用萬能名(“WDX”)實(shí)現(xiàn)一機(jī)對多機(jī)的通信?？梢源鎯σ粭l發(fā)送出去的短信，也可以存儲一條剛接收到的短信和舊的短信。整個(gè)系統(tǒng)人機(jī)交互界面友好，類似于普通手機(jī)系統(tǒng)，有操作提示，易于操作。本設(shè)計(jì)中采用分層的協(xié)議可以很容易地把無線通信模塊用其他性能更好的無線模塊替換。
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